用于生产冷成型的钢弹簧的方法与流程

本发明涉及冷成型的弹簧和/或扭力杆、用于生产冷成型的弹簧和/或扭力杆的方法、以及钢丝在用于生产冷成型的弹簧和/或扭力杆中的用途。

现有技术

在现有技术中,已知由成型钢丝制成的弹簧和扭力杆有多个实施方式。扭力杆也被称为例如扭矩棒弹簧、稳定扭矩棒或扭力杆弹簧。特别是将钢弹簧和扭力杆弹簧用于机动车辆中，其中钢弹簧例如用于减振器系统中以吸收道路不平坦，而扭力杆弹簧用于提供稳定性以防止底盘的倾斜和变形，特别是在机动车辆转弯、以及机动车辆在变化的路面和在不平坦的道路上行驶的情况下。可以通过冷热成型方法和/或热成型方法来实现钢丝的成形以提供弹簧和扭力杆。在这种成形之前，钢丝可经历影响弹性和强度性能的各种制备步骤。例如，用于生产钢弹簧和/或扭力杆弹簧的弹簧钢经受热机械成型(TMF)操作，以便增加其可用于结构目的的强度和韧性并且进一步改进材料的特定使用性能。例如，具有高强度的弹簧和/或扭力杆可以采用较低强度的材料输入进行生产并且从而获得低的重量和材料成本。现有技术公开了许多不同的方法，这些方法包括热处理以及随后的成型操作。在冷成型的情况下，钢丝的成型性受到限制，这是因为随着成型度的增加，钢丝的韧性和成型性由于冷作硬化(Kaltverfestigung)而降低。

在热成型螺旋弹簧的大规模生产中，已经以倾斜轧制工艺的形式进行TMF操作，但这种操作仅用于预制的单独的弹簧棒。在DE 103 15 418 B3中公开了这种方法。通过在螺旋弹簧的热缠绕之前直接进行单级倾斜轧制工艺对弹簧棒进行TMF。在油中对热成型的弹簧进行淬火，这导致马氏体结构。

在螺旋弹簧的冷成型中，不使用弹簧棒。相反，将预调质处理的(vorvergüteter)、即已经硬化和退火的冷态丝通过冷缠绕转变成最终的螺旋形式；这时才与连续的丝分离，并因此材料被分离。

DE 198 39 383 C2描述了一种钢的热机械处理方法，该钢用于受扭转应力的弹簧元件。将起始材料快速加热至1080℃的温度并奥氏体化。随后，使起始材料经受实现再结晶的TMF。随后，在没有中间冷却的情况下，通过淬火使起始材料硬化。

该方法在一条龙生产线中进行，其中所有步骤均从TMF进行，直到淬火。由此需要的热机械成型和调质处理的直接关联将导致以下缺点：

1.由于热机械成型、通常为轧制而导致钢丝的长度变化对紧随其后的调质处理工艺参数具有直接影响。

2.热机械成型和调质处理的处理时间和温度必须彼此匹配，这在工艺技术方面难以实现。这是因为对于热机械成型的优选温度仅刚好高于钢丝材的奥氏体化温度，而对于调质处理(vergüten)有利地是加热至高得多的温度。

3.用于TMF的轧制设备和调质处理设备具有每单位丝长度不同的吞吐量时间；为了解决这种冲突，必须解决非常复杂的调节和控制问题。

4.由此生产线的吞吐量将由最慢的工艺部件限定；因此较快的工艺部件不能满负荷工作，因此是不经济的。

5.在制造用于热机械成型的弹簧中采用的单级倾斜轧制操作(对应于上述DE 103 15 418 B3)使得钢丝以400rpm或更大的速度围绕其纵向轴线旋转。这可以在单独的弹簧棒的情况下实施，但在连续丝的加工中不能实施。在随后的工艺步骤诸如淬火、退火和卷绕中，丝会相应地旋转，这将至少对这些单元提出更高的要求。在实践中，尚未测试这种具有连续丝的一条龙加工的可实施性。已经知道，也可以使用两级孔型轧制操作来代替倾斜轧制。然而，当采用孔型轧制时，上述缺点1至4也存在。

DE 198 39 383 C2提出，在一种变型(第3栏第4-20行)中，在热机械成型之后，首先将弹簧钢淬火至低温，然后将其传送至具有显著加热和淬火的另一调质处理工艺。然而，该变型基本上具有上述缺点。

因此，本发明的目的是提供一种避免了上述缺点的改进的弹簧和/或扭力杆以及用于生产改进的弹簧和/或扭力杆的改进的方法。更具体地，用于生产改进的弹簧和/或扭力杆的改进的方法是提供更稳定的制造工艺且可靠地满足高质量要求。此外，用于生产改进的弹簧和/或扭力杆的改进方法可以以简单和可靠的方式在现有方法中实施。

技术实现要素：

该目的通过根据权利要求1所述的弹簧和/或扭力杆以及根据权利要求5所述的方法来实现。

本发明的弹簧具有优于常规弹簧的优点，即，本发明的弹簧丝与常规的弹簧丝相比具有更高的韧性。由于弹簧丝具有更高的韧性，本发明的弹簧可以承受更高的应力。本发明的弹簧的另外的优点是与常规弹簧相比更低的重量和更长的寿命。此外，与常规弹簧相比，本发明的弹簧尤其可以被设计为具有更小的尺寸和更短的弹簧长度，这意味着本发明的弹簧也可以被设置在小的空间中。

本发明的扭力杆具有优于常规扭力杆的优点，即，本发明的弹簧丝与常规的弹簧丝相比具有更高的韧性。由于弹簧丝的更高韧性，本发明的扭力杆可以承受更高的应力。本发明的扭力杆的另外的优点是与常规扭力杆相比更长的寿命。

本发明的用于生产弹簧和/或扭力杆的方法具有优于常规方法的优点，即，本发明的弹簧和/或扭力杆具有与常规弹簧丝相比具有更高韧性的弹簧丝。本发明的方法的另外的优点是其可以简单且可靠地集成到现有方法中。此外，本发明的方法具有以下优点：

-在该方法中TMF和调质处理的分离允许为两个步骤中的每一个建立最优的工艺参数，例如温度，

-在该方法中TMF与下游制造步骤的分离允许为每个步骤建立最佳吞吐率，

-在不延长该方法的持续时间的情况下，可以在淬火硬化之前进行对钢丝和/或棒额外需要的任何处理步骤，例如精确切割成所需的长度或生产非恒定钢丝和/或棒直径，

-由于在非常高的温度下长时间保持而将在钢丝和/或棒中产生结构不利变化的风险降低了，

-任何处理部件的关闭(例如用于维护或由于缺陷)对整个生产线没有任何直接影响，并且其它处理步骤可以继续生产，

-不需要为每个缠绕系统备好单独的TMF单元，并且由于可以选择使用独立于TMF单元的缠绕系统，提高了生产的灵活性，

-通过本发明的方法以简单的方式且在不增加复杂性的情况下，采用非恒定、特别是变化直径的丝来加工弹簧棒成为可能。

因此，本发明提供了一种通过冷成型由钢丝生产的弹簧和/或扭力杆，所述冷成型按照包括以下步骤的方法：

a)提供钢丝；

b)在所述钢丝的最低再结晶温度之上对步骤a)中提供的钢丝进行热机械成型，所述钢丝具有至少部分奥氏体结构；

c)冷却在步骤b)中热机械成型的钢丝；

d)对所述钢丝进行调质处理，包括：

I.将在步骤c)中冷却的钢丝至少加热至等于或大于奥氏体开始温度的硬化温度；

II.将在步骤I中至少加热至硬化温度的钢丝淬火到第一冷却温度，于是建立了至少部分马氏体结构，所述第一冷却温度为低于钢丝的最低再结晶温度的温度；

III.将在步骤II中淬火的钢丝再加热至小于奥氏体开始温度的第一退火温度；

IV.将在步骤III中再加热的钢丝冷却至第二冷却温度，所述第二冷却温度至少小于所述第一退火温度；

e)在冷成型温度下对在步骤d)中调质处理的金属丝进行冷成型，所述冷成型温度为低于钢丝的最低再结晶温度的温度；

f)分离步骤e)中冷成型的钢丝，其中通过在步骤c)中将钢丝冷却至低于所述最低再结晶温度的温度，所述钢丝被冷却成使得在钢丝中建立至少部分铁素体-珠光体结构。

本发明还提供了一种用于生产弹簧和/或扭力杆的方法，包括以下步骤：

a)提供钢丝；

b)在所述钢丝的最低再结晶温度之上对步骤a)中提供的钢丝进行热机械成型，所述钢丝具有至少部分奥氏体结构；

c)冷却在步骤b)中热机械成型的钢丝；

d)对所述钢丝进行调质处理，包括

I.将在步骤c)中冷却的钢丝至少加热至等于或大于奥氏体开始温度的硬化温度；

II.将在步骤I中至少加热至硬化温度的钢丝淬火到第一冷却温度，于是建立了至少部分马氏体结构，所述第一冷却温度为低于钢丝的最低再结晶温度的温度；

III.将在步骤II中淬火的钢丝再加热至小于奥氏体开始温度的第一退火温度；

IV.将在步骤III中再加热的钢丝冷却至第二冷却温度，所述第二冷却温度至少小于所述第一退火温度；

e)在冷成型温度下对在步骤d)中调质处理的金属丝进行冷成型，所述冷成型温度为低于钢丝的最低再结晶温度的温度；

f)分离步骤e)中冷成型的钢丝，其中通过在步骤c)中将钢丝冷却至低于所述最低再结晶温度的温度，所述钢丝被冷却成使得在钢丝中建立至少部分铁素体-珠光体结构。

本发明还提供了钢丝在用于生产冷成型的弹簧和/或扭力杆中的用途，包括以下步骤：

a)提供钢丝；

b)在所述钢丝的最低再结晶温度之上对步骤a)中提供的钢丝进行热机械成型，所述钢丝具有至少部分奥氏体结构；

c)冷却在步骤b)中热机械成型的钢丝；

d)对所述钢丝进行调质处理，包括：

I.将在步骤c)中冷却的钢丝至少加热至等于或大于奥氏体开始温度的硬化温度；

II.将在步骤I中至少加热至硬化温度的钢丝淬火到第一冷却温度，于是建立了至少部分马氏体结构，所述第一冷却温度为低于钢丝的最低再结晶温度的温度；

III.将在步骤II中淬火的钢丝再加热至小于奥氏体开始温度的第一退火温度；

IV.将在步骤III中再加热的钢丝冷却至第二冷却温度，所述第二冷却温度至少小于所述第一退火温度；

e)在冷成型温度下对在步骤d)中调质处理的金属丝进行冷成型，所述冷成型温度为低于钢丝的最低再结晶温度的温度；

f)分离步骤e)中冷成型的钢丝，其中通过在步骤c)中将钢丝冷却至低于所述最低再结晶温度的温度，所述钢丝被冷却成使得在钢丝中建立至少部分铁素体-珠光体结构。

珠光体-铁素体结构的形成使钢丝处于中间状态，在该状态下钢丝呈现出高柔软性，因此也呈现出良好的加工顺从性。由于这种柔软性，可以在该方法中实现TMF与随后调质处理的分离。在TMF和调质处理之间的时间段中，由于钢丝不处于硬化形式，因此其具有更好的加工顺从性。

本发明可以在弹簧或扭力杆中或者在本发明的弹簧丝中实施，还可以在用于生产弹簧和/或扭力杆或者弹簧丝的方法中实施，还可以在钢丝用于生产弹簧和/或扭力杆的用途中实施。

对本发明的详细描述

在本发明的上下文中，弹簧被理解为意指由钢丝制成的部件，其在应力下屈服并且在应力释放之后回复到其初始状态。更具体地，弹簧可以是由钢丝以螺旋或螺线形式缠绕或以棒的形式拉伸或弯曲的部件。弹簧的实例选自由螺旋弹簧(特别是螺旋压缩弹簧、螺旋拉伸弹簧)、锥形弹簧、弹性弹簧、柔性弹簧(特别是螺线弹簧)、缠绕扭转弹簧及其组合构成的组。

在本发明的上下文中，扭力杆被理解为意指杆元件，其中，当扭力杆在两端部被固定时，被固定的两个端部围绕杆元件的轴线相对于彼此进行枢转运动。更具体地，机械应力主要是通过相对于棒元件轴线沿切向方向作用的扭矩发生的。扭力杆还被理解为例如意指直的扭力杆、角扭力杆、扭力杆弹簧、扭力弹簧、稳定扭力杆、稳定器、分离的稳定器及其组合。

在本发明的上下文中的冷成型被理解为意指钢丝在低于再结晶温度下的成型。更具体地，在冷成型中成型性受到限制，这是因为由于冷作硬化，材料(例如钢)的韧性和成型性随着成型程度的增加而降低。冷成型的实例是冷缠绕、冷弯曲及其组合。

再结晶温度是在具有给定成型程度的冷成型结构的情况下，在限定的时间段内导致完全再结晶的煅烧温度(Glühtemperatur)。再结晶温度不具有固定值，而是取决于预先冷成型的程度和材料的熔化温度，特别是钢的熔化温度。例如，在钢的情况下，再结晶温度还取决于特定钢的碳含量和合金。

最低再结晶温度被理解为意指仍然存在再结晶(特别是钢丝的结构的再结晶)的最低温度。

在本发明的上下文中的奥氏体开始温度被理解为意指转变为至少部分奥氏体结构的温度。更具体地，在奥氏体化温度下，存在向至少部分奥氏体结构的转变。

在本发明的上下文中的调质处理可以是部分或完全调质处理。

在本发明的上下文中，热传递，在发生时、例如步骤b)中的热机械成型、步骤d)I中的加热、步骤d)III的再加热和/或在另一热传递，被理解为意指选自热传导(特别是传导加热)、热辐射(特别是红外辐射)、感应加热、对流(特别是加热风扇)的一种及其组合。

在本发明的上下文中的稳定器也被理解为意指稳定扭力杆。更具体地，稳定器的部段和/或分开的稳定器也被理解为意指本发明的稳定器。

在本发明的优选实施方式中，弹簧和/或扭力杆利用具有碳含量在0.02重量％至0.8重量％范围内的钢丝进行生产。更具体地，在本发明的上下文中，具有碳含量在0.02重量％至0.8重量％范围内的钢被理解为意指亚共析钢。

在本发明的优选实施方式中，步骤e)和f)的顺序视需要而定(beliebig)。

在本发明的优选实施方式中，步骤b)中的热机械成型在等于或大于奥氏体开始温度的温度下进行、优选地在等于或大于奥氏体结束温度的温度、更优选在从奥氏体结束温度到比奥氏体结束温度高50℃的范围内的温度下进行。

在本发明的上下文中的奥氏体结束温度被理解为意指完成奥氏体结构转变的温度。

因此，在优选的实施方式中，设想在中间状态下、即在TMF之后并且在调质处理之前，钢丝仍然以连续丝的形式被卷起，特别是为存储或运输目的被卷绕。钢丝越柔软，越可能容易卷绕。对于随后的调质处理，再次将钢丝退绕。因此，随后的调质处理与TMF完全解耦。

本发明的工艺顺序还使得就温度范围而言能够使TMF与调质处理解耦。虽然在TMF期间的最佳成型温度刚好高于钢丝材料的奥氏体化温度、特别是比丝材料的奥氏体化温度高不到50℃，但加热至显著更高的温度对于调质处理是有利的。因此，在优选的配置中，调质处理温度高于成型温度、特别是比丝材料的奥氏体化温度高50℃以上。在该工艺中TMF和调质处理的分离允许为两个步骤中的每一个建立最佳温度。

本发明的工艺顺序的另外的优点是，调质处理和TMF两个处理的解耦允许钢丝的两个处理以对于特定工艺而言均是最佳的(所需的)吞吐率进行。TMF中的钢丝的吞吐率不一定与调质处理中的相同。相比之下，在一条龙生产线中，两个处理中较慢的处理决定了两个处理的吞吐率，这意味着两个处理中的一个未在最佳条件下工作，即以不经济的方式工作。

本发明的方法和本发明的弹簧和/或扭力杆另外的优点是本发明的弹簧丝与常规的弹簧丝相比具有更细的晶粒结构。

在本发明的优选实施方式中，步骤c)中对钢丝的冷却至少进行到低于所述最低再结晶温度的温度、优选低于200℃的温度、更优选低于50℃的温度。

TMF之后的冷却优选以确保建立珠光体-铁素体结构的低冷却速率进行。为此，本领域技术人员可以采用与这种材料相对应的TTT曲线图，从该图中可以读出冷却速率。

原则上，与已知方法相比，所提出的程序似乎是不经济的，因为在中间冷却之后，钢丝现在必须被再加热以用于冷成型工艺。然而，已经发现，由此实现的解耦可以避免开头提到的缺点，这一点可以被评估为在技术方面更好并且比由一条龙制造带来的优点更经济有利。此外，这种中间冷却也可以以受控的方式实现，这种方式包括热交换器，借助于该热交换器，来自这种中间冷却的废热可再次用于TMF或以非常高的效率用于随后的调质处理。

根据本发明，现在可以使用已经预处理的丝来生产冷成型的钢弹簧、特别是生产由钢制成的螺旋弹簧或扭力杆弹簧。钢丝具有小于200℃的温度、特别是室温。此外，钢丝已经经受热机械成型操作并且具有珠光体-铁素体结构。然后对该钢丝进行调质处理，调质处理包括以下步骤：将钢丝加热至高于钢丝材料的奥氏体化温度的调质处理温度并奥氏体化；将加热至调质处理温度的钢丝淬火以便在钢丝中形成马氏体结构；对钢丝进行退火。随后对钢丝进行冷成型以用于生产冷成型的钢弹簧。关于本发明方法已提及的优点和改进适用于上述应用。

在本发明的优选实施方式中，在步骤d)I中将钢丝加热至等于或大于奥氏体开始温度的温度、优选加热至等于或大于奥氏体结束温度的温度。

在本发明的优选实施方式中，在步骤d)II中对钢丝进行淬火使钢丝结构经历向马氏体的至少部分转变，并且使钢丝暴露于至少马氏体开始温度，由此对所述钢丝的淬火优选地进行到所述钢丝的低于或等于200℃的第一冷却温度。

在本发明的上下文中的马氏体开始温度被理解为意指至少部分转变为马氏体结构的温度。

在本发明的优选实施方式中，步骤d)中对钢丝的调质处理在钢丝的横截面上建立了硬度分布。例如，钢丝的硬度可以从钢丝的边缘向芯部变化。更具体地，硬度可以从钢丝的边缘向钢丝的芯部降低或升高或者相等。优选地，硬度从钢丝的边缘向芯部下降。例如，这可以通过钢丝的边缘加热和在步骤d)至步骤f)中的一个步骤和之后的随后再冷却来实现。

优选地，在生产冷成型的螺旋弹簧中采用该方法。这涉及钢丝的冷缠绕，以提供钢弹簧；仅在螺旋弹簧的冷缠绕之后，它们才与钢丝分离、特别是单独的分离。

同样优选地，在生产冷成型的扭力杆弹簧中采用该方法。这涉及将调质处理之后的钢丝切割至一定长度以提供棒。之后，通过冷弯曲来进一步处理这些棒以提供扭力杆弹簧、特别是提供用于机动车辆底盘的稳定器。

在本发明的优选实施方式中，在步骤d)至步骤f)中的一个步骤之后，在另外的步骤g)中，进行钢丝的边缘加热和随后的再冷却，由此硬度从钢丝的边缘向芯部增加。

在本发明的优选实施方式中，在步骤c)至步骤f)中的一个步骤之后，在另外的步骤h)中，卷绕钢丝。

在本发明的优选实施方式中，在步骤c)至步骤g)中的一个步骤之后，在另外的步骤i)中，进行钢丝的表面处理，其中至少部分地去除钢丝的表面。

在本发明的优选实施方式中，通过本发明的方法生产的弹簧和/或扭力杆具有大于40体积％、优选大于80体积％、更优选大于90体积％、最优选大于95％体积的马氏体含量。

在本发明的优选实施方式中，该方法使用碳含量在0.02重量％至0.8重量％范围的钢丝进行。

在本发明的优选实施方式中，冷成型的弹簧和/或扭力杆的生产使用碳含量在0.02重量％至0.8重量％范围内的钢丝来完成。

附图说明

改进本发明的其它措施将在下文中与本发明优选实施例的描述一起并参照附图进行详细讨论。图示出了：

图1是本发明的一个实施方式中的本发明的方法的示意图，

图2是本发明的一个实施方式中的本发明的方法的示意图，

图3是用于根据图1和图2的实施方式的温度分布。

具体实施方式

在下文中一起描述图1至图3。缠绕的钢丝1(特别是盘条)设置在环10上。首先将钢丝1加热11到约800℃的成型温度T1，该温度高于钢丝的最低再结晶温度、特别是高于在本例中为785℃的奥氏体化温度Ac3。然后钢丝1经受热机械成型(TMF)12。当TMF紧随钢丝轧制过程并且钢丝的温度仍然处于期望的成型温度T1时，可以省去加热11。

热机械成型12可以通过多级孔型轧制来实现。随后，以缓慢的速率对钢丝1进行冷却13，该缓慢的速率使得在钢丝中建立部分铁素体-珠光体结构，即软结构。这种冷却可以在没有任何进一步干预的情况下通过在室温或环境温度下简单储存来进行，但这种冷却优选以受控的方式进行。在冷却之前、期间或之后，钢丝1被卷绕14，这由于软的微结构状态而是容易可能的。为了冷却，还可以提供热交换器，使得废热可以反馈回工艺。

当之后卷绕钢丝1时，钢丝1可以从一个加工位置运输到下一个加工位置并在那里被进一步加工(处理)。在图3中，这一点由在卷绕14之后的温度分布中的间隙示出。弹簧制造商于是可以从钢丝制造商购买通过热机械成型预处理的钢丝1，并且不需要将进行TMF所需的设备保持在室内。这为弹簧制造商节省了空间和资本成本。

在任意期望的储存和/或运输的时间段之后，开始钢丝1的调质处理，并且因此不需要直接(或甚至在位置方面)跟着TMF。在调质处理之前，在退绕(Abhaspeln)15之后也可以进行加工操作，例如研磨16。随后，为了开始调质处理，将钢丝加热17到明显高于奥氏体化温度Ac3或成型温度T1的硬化温度T2。在本例下，硬化温度T2为约950℃。加热非常快速地进行，并且优选通过感应装置进行。加热以至少50K/s、优选至少100K/s的加热速率进行。随后是例如在水或油浴中淬火18，这建立了至少部分马氏体结构。接着，对钢线1进行退火19。

在如图1所示的第一配置中，经调质处理的钢丝1接下来经受冷缠绕20'以提供螺旋弹簧3'，并随后从钢丝1进行切割21。在如图2所示的替代配置中，经调质处理的钢丝1首先被切割21成单独的弹簧棒22，然后经受冷弯曲20”以提供扭力杆弹簧3”。

在其实施方面，本发明不限于上述的优选实施例。相反，存在许多可想到的变型，其利用甚至在基本上不同种类的执行中所提出的方案。从权利要求书、说明书或附图中显而易见的所有特征和/或优点，包括结构或三维布置的细节，对于本发明来说就其本身或以各种各样的不同组合可能是必要的。

工业适用性

上述类型的弹簧和/或扭力杆被例如用于机动车辆、特别是机动车辆底盘的生产中。

参考标记列表

1 钢丝

2 弹簧棒

3' 螺旋弹簧

3” 扭力杆弹簧

10 环

11 加热

12 热机械成型(TMF)

13 冷却

14 卷绕

15 退绕

16 研磨

17 加热

18 淬火

19 退火

20' 冷缠绕

20” 冷弯曲

21 切割

22 弹簧棒